JPS62217153A - 容量式薄膜湿度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、容量式薄膜湿度センサに関し、さらに詳細に
は非導電性基板と下部電極と湿気に活性な薄膜と上部電
極とを順次に積層し°ζなる容量式薄膜湿度センサおよ
びその製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

最近のエレクトロニクスの発達に伴い、各種のセンサの
開発が盛んに行なわれている。

湿度制御の面から考慮すると、工業分野だけでなく医療
分野、家電を含め住宅、ビルディングの分野にまで拡張
されつつある。

使用される材料から大別すると、電解質系、有殿物系お
よび金属酸化物系に分けられ、それぞれの材料の湿度に
よる電気的な変化を利用したものが多い。電解質系とし
ては、塩化リチウムを用いるものがあり、有機物系では
高分子材料の吸湿性を利用したものがあげられる。金属
酸化物系は上記材料と比べると物理的、化学的に比較的
安定していると考えられているが、どれも長所、短所が
あり、解決しなければならない問題は多い。

一般に電気湿度計は、湿度条件の変化による電気的特性
の変化を相対湿度として表示する一種のトランスジュー
サとして理解され、その基本原理としては電気抵抗の変
化を利用するものと、静電容量の変化を測定するものと
の二ｆｌｉｌｌに大別される。このうち後者の静電容量
式、すなわち感湿部が吸湿したときの静電容量の変化を
測定して湿度を求める型式の湿度センサでは、従来より
陶磁器板やガラス繊維、アルマイト薄板を特殊加工した
もの等が誘電体として用いられているが、測定感度が劣
るため実用化上問題があるとされている。また、感湿部
として機能する誘電体として有機高分子膜を使用する湿
度センサが近年提案されており、この種の技術は、例え
ば特開昭４９−７４５８８号、特開昭５５−６６７４９
号、特開昭５９−２４２３４号および米国特許第３３５
０９４１号等の各公ｔＩＪに開示されている。

ところで一般に、有機高分子膜からなる誘電体を感湿層
として使用する場合、この誘電体は湿度に対する応答性
に優れると共に反復再現性が良好であり、また湿度対容
量の相対関係が極めて直線的に表われるので測定精度が
向上する等の利点を有する。しかしながら他方では、前
記有機高分子膜誘電体は、過度の乾燥条件下、高湿度条
件下に長時間晒されると基板からの剥落等を生じて、感
湿特性が劣化する難点がある。また、有機高分子膜は有
機溶剤（例えばアセトン）により侵され易いので、印刷
工場、塗料工場等のように有機溶剤蒸気が多量に存在す
る雰囲気下では悪影響を受けるため使用に供し得ない等
の難点が指摘される。

そこで、高温条件や有機溶剤雰囲気等の悪影響下でも好
適に使用し得る、機械的強度に優れた容量式湿度センサ
の実用化が業界において強く要望されている。この種の
要望に応えるものとして、例えば特開昭５２−１２４９
７号「金属酸化膜感湿素子」や、特開昭５３−９５９５
号「アルミニウムの陽極酸化被膜を使用した含湿量検出
素子」等が提案されている。これらは、いずれもアルミ
ニウム板等の基板自体に電解その他の手段によって導電
性の多孔性金属酸化被膜を形成するものであるが、素子
表面が粗いため測定誤差が生じ易く、またこの金Ｈ酸化
被膜自体の機械的強度も充分でない等、依然として前記
要請を満足するものではなかった。

そこで、本出願人は前記諸欠点を解決するべく種々研究
および試作を重ねた結果、基板自体に酸化や電解により
被膜を形成することに代えて、ガラス等の酸化になじま
ないＩ＆　縁基板に金属化合物（例えば金属酸化物、金
属窒化物、金属弗化物）の膜を、高周波電界内に対応金
属の蒸気と酸素または窒素若しくはアンモニアガス、弗
素ガスを導き、イオンブレーティングにより形成するよ
うにすれば、得られる金属化合物膜は極めて大きな強度
を有し薄膜化が可能となり、前述した苛酷な環境下での
使用に充分耐え、しかも膜面も平滑で密となるので、応
答性、反復再現性にすぐれて測定精度も向上することを
突き止め、特願昭５５−１７６５０４号として出願した
（特開昭５７−１０９３１９号参照）。

さらに、本出願人は、その後、高真空下に酸素にアルゴ
ンとの混合ガスまたはアンモニアガス若しくは窒素と水
素の混合ガスを導入しつつ高周波電界内でスパッタして
イオンブレーティングさせる方法が好適なこと、更に、
金属化合物膜を機械的処理、例えばプラズマエツチング
により粗面化すれば応答性が顕著に向上する事実を見出
し、その結果機械的強度に（（れ、高温条件や有機溶剤
雰囲気等の苛酷な悪環境下でも性能劣化を呈することな
く、応答が極めて良好で正確な湿度測定をなし得る容量
式湿度センサおよびその製造方法につき特願昭５６−１
９４４２１号として出願した（その開示を参考のために
、ここに引用する）。

」二記特願昭５６−１９４４２１号の発明の製造方法に
よれば、金属化合物膜を基板に形成する方法としては、
高周波電界内でイオンブレーティングが好適に使用され
、得られた金属化合物膜は同じ装置によりプラズマエツ
チングで粗面化される。従ってこの発明に係る湿度セン
サの製造方法は、非電導性基板を真空形成室中の高圧電
極に支持して高電圧を印加し、真空形成室内の不純気体
を高真空にするごとにより除去し、外部より所定の気体
を導入し、真空形成室内に高周波電界を形成しノ；後、
前記真空形成室中に配置した金属板若しくは全屈化合物
を電子銃による蒸発によるかまたはスパッタして金属イ
オン若しくは全屈化合物イオンを生成せしめ、金属イオ
ンは導入した気体により全屈化合物イオンとなし、前記
非導電性基板と電極上とに金属化合物被膜を独立して形
成後、引続き前記高電圧の印加を高めて前記金属化合物
被膜をプラズマエツチングせしめて粗面化し、前記粗面
上に湿気透過性の金Ｂ被膜を形成することからなってい
る。

その後、本出願人はさらに、前記のイオンブレーティン
グ法による容量式薄膜湿度センサの製造において、この
イオンブレーティングを特定の比率におけるアルゴンと
酸素との共存下に行なえば湿度センサの感湿特性を任意
に変化させうろことを突き止め、特願昭５８−４２３０
７号として出願した（その開示を参考のためここに引用
する）。

上記種々の改良により容量式薄膜湿度センサは相当なレ
ベルまで向上したが、それでもまだ幾つかの改良すべき
点が残されている。

例えば、特定の湿度範囲に合せて任意に感湿特性をコン
トロールし、しかもその湿度範囲において一層感度を良
好ならしめると共に良好な直線性を得るための改善が要
求される。

さらに、本山１頭人はより直線性の良好な湿度センサの
改良を得るため、上記種々の湿度センサに対し共通して
応用しうる技術として、非導電性基板の表面を下部電極
の設置前に研磨材で所定の粗さに１１面化する技術を開
発し、特定の湿度範囲に合せて感湿特性を任意にコント
ロールし、直線性の良好な範囲において感度を一層良好
ならしめることに成功し、特願昭５９−２６９５８号に
おいてその開発技ｉ科を開示した。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記各種の改良開発技術により、容量式薄ＶＩｆＡ湿度
センサはその感度および直線性においてかなり向上した
が、それでもなお直線性などの点で改良の余地が残され
ている。

本発明者等は、上記技術に共通な基板と、下部電極と、
湿気に活性な薄膜と、上部電極とで構成される容量式薄
膜湿度センサにつきさらに鋭意研究を進めた結果、湿気
に活性な薄膜として上記各公報に開示された金属化合物
薄膜や有機高分子Ｈ膜などに代えて炭素化合物薄膜、特
にアモルファス状炭素化合物薄１漠を付着させれば、上
記従来技術につきまとう容量式湿度センサの諸性質、特
に感度および直線性の問題が著しく改善されることを突
き［Ｌめ、本発明に、至った。

なお、本出願人の知る限り、炭素薄膜（特にアモルファ
ス状炭素１ヒ合物の薄膜）を前記湿気に活性な薄膜とし
て付着させる技術は、本発明以外にはまだ開発されてい
ない。

従って本発明の目的は、非導電性基板と、この基板上に
対向配置された下部電極と、この下部電極の上に独立し
て形成された湿気に活性な薄膜と、この薄膜上に形成さ
れ湿気透過性の金属被膜よりなる上部電極とを順次に積
層してなり、特定の湿度範囲に合せて感ＩＡＩ特性を任
意にコントロールでき、しかも直線性の良好な範囲にお
いて感度を一層良好にしうる容量式薄膜湿度センサおよ
びその製造方法を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的は、本発明によれば、上記構成の容量式薄膜
湿度センサにおいて前記薄膜をアモルファス状炭素化合
物の薄膜で構成することにより達成される。

基板としては、従来技術で使用されているあらゆる材料
を使用しうるが、特にアルミナ、ガラス、サファイヤ等
が使用される。

゛　　　下部電極は櫛形とするのが好適であり、化学的
に不活性な金またはパラジウムで作成するのが好ましい
。

本発明において必須の特徴である湿気に活性なアモルフ
ァス状炭素化合物の薄膜は、プラズマ中にてガス化しう
るあらゆる種類の炭素化合物或いは含窒素化合物からス
パッタクリーニング条件下での分解により下部電極上に
付着される。この反応ガスを構成する前記炭素化合物ま
たは含窒素炭素化合物としてはアルカン類（例えばメタ
ン、エタン、プロパン等）、ケトン類（例えばアセトン
、メチルエチルケトン等）、アルデヒド類（例えばアセ
トアルデヒド等）、アルコール類（例えばメタノール、
ジオール等）、アミド類（例えばジメチルアセタミド等
）が好適に使用される。アモルファス状炭素化合物薄膜
の作成条件は、使用する化合物によっても若干具なるが
約１〜５ＸｌＯＴｏｒｒ、１００〜４００ＷのＲＦ電力
、１００〜２５０ｖのセルフバイアスにて基板温度を室
温乃至２００℃として反応時間２〜３時間とする。薄膜
の厚さは数７１程度である。

この薄膜の上に設ける上部電極は、例えば金被膜または
パラジウム被膜など金属被膜を常法により約２００〜２
５０Ａの厚さで蒸着させて設けられる。

本発明においては、非導電性基板の表面を粗面化する技
術（特開昭６０−１７１４４３号）など従来技術を適宜
併用しうろことは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、耐熱性・耐薬品性に優れた薄膜が得ら
れるだけでなく、反応ガスの種ｇｎに応じて親水基の種
類および親水基対疎水基の比率を適宜制御できるのでヒ
ステリシス、湿度特性などもそれに応じて制御でき、さ
らに薄膜の表面、断面も共に極めて滑らかとなり、感度
および直線性など湿度センサの緒特性に優れた容量式薄
膜湿度センサが得られる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施例につき説明す
る。

〔実施例〕

第１図および第２図は、本発明による容量式湿度センサ
の一実施例を示すものであって、参照符号１０は約ＩＸ
Ｉ、５ｃｍの寸法に裁断されたガラス基板を示す。基板
としてはサファイヤ板が特に優れている。このガラス基
板１０の表面上には、第１図に示すように一対の下部電
極１２．１２が対向的に蒸着、ホトエツチング等の手段
により約１μの厚さに形成され、この場合前記下部電極
は櫛形とし、各櫛歯が相互に接触することなく噛み合う
ようなパターンとなるよう配設するのが好適である。な
お、この下部電極としては、化学的に不活性な金または
パラジウム等が好適な材料として使用される。このよう
に下部電極１２゜１２を形成した基板１０に、後述する
ようにアモルファス状炭素化合物薄膜１４を約１〜２μ
の厚さで基板に対し独立して形成する。

更に、このｉηられた薄１１Ｑ１４の表面１６上に、湿
気透過性で化学的に安定な金属、例えば金被膜またはパ
ラジウム被膜を厚さ２００〜２５０久に蒸着形成して上
部電極１８とする。

これによって、機械的強度が極めて優れかつ応答性の極
めて良好な湿度センサが得られる。

次に、アモルファス状炭素化合物薄膜の作成につき説明
する。

第３図は、本発明に従ってアモルファス状炭素化合物薄
膜を形成するための装置の一例を図示している。この装
置は通常の容量結合型高周波ＣＶＤ装置であり、その詳
細な説明については当分野で周知されているので省略す
る。第３図に示したように、この装置の排気系２０には
ＲＰおよびＤＰを備えており、ペルジャー全体は焼き出
しが可能である。基板ボルダ−２２は水冷されており、
ブロッキングコンデンサ２４を介し１３．５６　ＭＨｚ
の高周波電源２６に接続されている。反応ガス、＾ｒガ
スおよびＩＩ、ガスはマスフローコントローラ２Ｂ、３
０．３２を介して導入できる。

先ず、　〜１ＱＴｏｒｒ程度に予備排気した後、静で基
板１０をスパッタクリーニングした。次いで、炭素１ヒ
合物等の反応ガスを流路２８を介して導入し、薄膜を成
長させた。なお、基板としてはアルミナ・ガラスを使用
し、スパッタクリーニングおよび薄膜酸ｌの条件は次の
通りとした。

スパッタクリーニング条件 真空度　　　　　　　　６　Ｘ　１０　　ＴｏｒｒＲＦ
電力　　　　・　　４００Ｗ 処理時間　　　　・　　１０□ｉｎ。

薄膜成長条件 真空度　　　　　　　　１〜５Ｘ１０　　ＴｏｒｒＲＦ
電力　　　　・　　１００〜４００Ｗセルフバイアス　
；　　１００〜２５０Ｖ反応時間　　　　　　　３ｂｒ
。

基板温度　　　　；　　室温〜２００℃プラズマ中で分
解された反応ガスは基板ＩＯに生じたセルフバイアスに
よって基板表面へ加速され、薄膜を形成した。セルフバ
イアスを調整することにより薄膜の成長程度を制御する
ことができ、それに応じて耐熱性・耐薬品性を向上させ
ることができる。

上記のように作成した炭素化合物薄膜のＳＥＭ（象を第
４図に示し、このアモルファス状炭素化合物映のアモル
ファスパターンを反射電子回折像として第５図に示す。

なお、精品質炭素の代表であるダイヤモンドの回折パタ
ーンをも対比のため第６図に示す。第４図から判るよう
に、薄膜の表面および断面は共に極めて滑らかであり、
柱状構造・粒状構造などは観察されない。また、第５図
と第６図とを対比すれば、本発明により基板１０上に成
長させた炭素化合物薄膜がアモルファスパターンを示す
ことが明らかであろう。

このようにして、所謂薄膜１４を形成した後、前述した
湿気透過性の金属上部電極１８、例えば金被膜またはパ
ラジウム被膜を蒸着することにより、約２００〜２５０
Ａの厚さの被膜を形成させた。

かくして、第１図および第２図に示した湿度センサが得
られた。

本発明により上記のように作成した湿度センサの湿度特
性を、第７図に示す湿度槽を用いて測定した。

一般に湿度槽には、定温法、定圧法、分流法、飽和塩水
溶液によるものが用いられている。しかしこれらの湿度
発生法には、Ｒｏｌｌ、＝１００％を仮定すること、セ
ンサ表面への塩の析出などの問題点がある。そこで湿度
特性の測定には、第７図の新しく考案試作した湿度槽を
用いた。しかしながら、この測定装置は本発明の一部を
構成しない。この湿度槽ば、ステンレス製の真空槽を用
い、１０　　Ｔｏｒｒ稈度まで排気できるようになって
いる。槽内を〜１０Ｔｏｒｒ程度に排気後、バルブを閉
じ、蒸留水をマイクロシリンジにより定潰し槽（〜７７
りに直接注入する。１μβの水は、２０°Ｃで約０．８
％の相対湿度（１？、＋１．）に相当し水の注入量を変
えることにより〜秒程度で望みの１７．１１．を得るこ
とができる。水の蒸発に伴う槽内）温度変化は、サーミ
スタ温度計による測定では検出できない程度である。

湿度槽の内壁の吸脱湿による設定湿度の変化は、高湿（
〜９０％）を設定した後の低湿の設定において、４８時
間経過後、最大Ｒ，１１，６％の誤差が生じた。しかし
設定ｆ＆　２時間以内はいずれの場合も設定湿度の変化
は見られなかった。

湿度槽内には、校正された湿度センサ、被測定センサ、
水晶振動子膜厚計が取り付けられている。

水晶振動子の表面には湿度センサと同じ膜厚のアルミナ
１ｌｉｆ膜が付けられていて、薄膜中に取り込まれてい
る水分子の質量（ｍ１１□０）が測定できる。ここでは
ｍｌｌ□０は平均膜厚（ｄ１１□０）に換算されていて
最小検出感度は２０久である。

なお、第７図の湿度槽において、参照符号５０は真空度
針、５２はミクロ分銅、５４はセンサ（校正）、５６は
センサ、５８はゴムシート、６０はミクロシリンジ、６
２はステンレス鋼容器、６４は温度計、６６はゼオライ
ト組成物、６８は弁体、７０は減圧源、７２は乾燥窒素
である。

上記湿度槽を用いて、アモルファス状炭素化合物薄膜を
用いた本発明による容量式薄膜湿度センサの感湿特性を
第８図に示す。これと対比する目的で、アルミナ薄膜を
用いた従来の容量式薄１５１！ｉ度センサの感湿特性を
第９図に示す。これら両図の対比により明らかなように
、本発明によるアモルファス状炭素化合物薄膜の容量式
湿度センサは感湿特性、特に直線性において極めて浸れ
ている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る容量式薄膜湿度センサの平面図、
第２図は第１図に示す湿度センサのｎ−ｎ線断面図、第
３図は本発明に係る湿度センサを製作するためアモルフ
ァス状Ｕ素化合物薄膜を形成させる装置の略図、第４図
はアモルファス状炭素化合物薄膜のＳＥＭ像を示す写真
、第５図は本発明によるアモルファス状炭素化合物薄膜
の反射電子回折像を示す写真、第６図は結晶炭素（ダイ
ヤモンド）の反射電子回折像を示す写真、第７図は湿度
センサの感湿特性を測定するのに使用した装置の略図、
第８図は本発明によるアモルファス状炭素化合物薄膜を
使用した湿度センナの感湿特性線図、第９図は従来のア
ルミナ薄膜による湿度センサの感湿特性線図である。 ｌＯ・・・基板　　　　　１２・・・下部電極１３・・
・基板表面の粗面化 １４・・・金属化合物膜 １６・・・表面　　　　　１８・・・上部電極２０・・
・排気系　　　　２２・・・基板ホルダー２４・・・コ
ンデンサ　　２６・・・高周波電源２８．３０．３２・
・・マスフローコントローラ５０・・・真空度針　　　
５２・・ベクロ分銅５４．５６・・・センサ　５８・・
・ゴムシート６０・・・ミクロシリンジ ６２・・・ステンレス鋼容器 ６４・・・温度計　　　　６６・・・ゼオライト６８・
・・弁体　　　　　７０・・・減圧源７２・・・乾燥窒
素 特許出廓人　　今　井　淑　夫 間　　浅賀朗夫 −ｍ−−６０℃ ＲＨ１％１

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）非導電性基板と、この基板上に対向配置された下
   部電極と、この下部電極の上に独立して形成された湿気
   に活性な薄膜と、この薄膜上に形成され湿気透過性の金
   属被膜よりなる上部電極とを順次に積層してなる容量式
   薄膜湿度センサにおいて、前記薄膜がアモルファス状炭
   素化合物の薄膜からなることを特徴とする容量式薄膜湿
   度センサ。
2. （２）基板がアルミナ、ガラスおよびサファイヤよりな
   る群から選択される特許請求の範囲第１項記載の容量式
   薄膜湿度センサ。
3. （３）非導電性基板上に下部電極を対向配置し、前記下
   部電極上に湿気に活性な薄膜を独立して形成し、前記薄
   膜上に湿気透過性の金属被膜からなる上部電極を形成す
   る容量式薄膜湿度センサの製造方法において、炭素化合
   物または含窒素炭素化合物よりなる反応ガスをプラズマ
   中で分解させて、前記下部電極上にアモルファス状炭素
   化合物の薄膜を形成させることを特徴とする容量式薄膜
   湿度センサの製造方法。
4. （４）反応ガスを構成する化合物がアミド化合物である
   特許請求の範囲第３項記載の方法。
5. （５）基板をアルミナ、ガラスおよびサファィヤよりな
   る群から選択する特許請求の範囲第３項記載の方法。